En BBC-dokumentar introducerede engang sådan et magisk dyr, der "får vand fra ørkenen". Der bor en bille i Namibias ørken. Deres ryg er sammensat af hydrofile buler og superhydrofobe substrater, som gør det muligt for billen at fange fugt fra luften.
Hver morgen er luften i den namibiske ørken fyldt med tåge. På dette tidspunkt vil fugten omkring billen blive fanget af de hydrofile bump på dens krop.
Derefter vil fugten gradvist kondensere til vanddråber på billens hårde skal. Derefter strømmer vanddråberne under påvirkning af tyngdekraften ind i dens mund langs billens superhydrofobe bagside. På denne måde fik billen i den ekstremt vandknappe ørken drikkevand på en vidunderlig måde.
I lang tid har holdet af professor Li Jian fra Northwest Normal University holdt sig til forskningskonceptet "at lære af naturen". Olie-vand-separation er en af hans forskningsretninger. Han forestillede sig engang: Hvis ørkenbillens unikke struktur kombineres med den undersøiske superoleofobiske membran, kan oliedråber så fanges og bruges inden for olie-vand-separation?
Hans idé blev endelig til virkelighed. For kort tid siden udviklede han og hans team, inspireret af ørkenbillens "vandopsamling i tågen", en ørkenbille-lignende olie-vand-separationsmembran, som har "olieopsamlingsfunktionen i vand".
Membranen er sammensat af hævede hydrofobe ZIF-8 oleofile partikler og bundlags polyacrylonitril (PAN) undervands superoleofobt materiale.
Ved adskillelse af vand-i-olie-emulsioner kan de hævede hydrofobe/oleofile partikler (ZIF-8) opnå "olieopsamling i vand" og demulgering, mens bundlaget undervands superoleofobisk membran (PAN) spiller en screeningsrolle på emulsion. Under den synergistiske effekt af de to er "trade-off"-effekten mellem separationseffektiviteten og fluxen af den traditionelle undervands superoleofobiske membran brudt, og separationseffektiviteten af olie-vand-emulsionen forbedres, mens separationsfluxen forbedres, og den effektive og høje gennemstrømningsseparation af forskellige vand-i-olie-emulsioner og endda vand-i-råolie-emulsioner opnås med succes.
På dette grundlag afslørede forskerholdet den forbedrede separationsmekanisme "fangst-aggregering-separation" af olie-vand-separationsmembranen.
Det forventes, at denne præstation vil have visse anvendelsesmuligheder i den dybe rensning og ressourceudnyttelse af olieholdigt spildevand.
For eksempel kan det bruges til at behandle olieholdigt spildevand genereret af den petrokemiske industri, metallurgisk industri, tekstilindustri, fødevareindustri, byspildevand, råolieudslip, skibstransport og olie- og gasudvinding, og forventes at opnå effektiv separation og oprensning.
Det er underforstået, at manglen på rene vandressourcer forårsaget af offshore råolieudslip og industrielt olieholdigt spildevandsudledning er et globalt problem, der bringer sikkerheden i det økologiske miljø i fare og begrænser den bæredygtige udvikling af det menneskelige samfund.
Den dybe behandling og ressourceudnyttelse af olieholdigt spildevand er af stor betydning for at løse vandressourcemangel, beskytte det økologiske miljø, tjene energibesparelse og emissionsreduktion og nå "dual carbon"-målene.
Membranteknologi, som en strategi til adskillelse og rensning af olieholdigt spildevand, har betydelige fordele ved høj effektivitet og lavt energiforbrug, og anses for at være en af de mest effektive teknologier til rensning af olieholdigt spildevand. Gennem porestørrelsesscreening og overfladebefugtningsregulering kan denne teknologi opnå selektiv adskillelse af olie-vand-blandinger.
Problemet med membranforurening forårsaget af adsorption af overfladeaktive stoffer eller tilstopning af oliedråber af porer er dog stadig en af de største udfordringer i behandlingen af olieholdigt spildevand.
Overfladeolieforurening vil føre til et fald i fluxen af olie-vand-separationsmembranen, et fald i separationseffektivitet og en stigning i driftsenergiforbruget. Derfor haster det med at udvikle en olie-vand-separationsmembran med høj separationseffektivitet og stærk driftsstabilitet, så den dybe rensning og ressourceudnyttelse af olieholdigt spildevand kan opnås.
Som reaktion på det problem med membrantilsmudsning, der almindeligvis står over for olie-vand-separationsmembraner, inspireret af den selvrensende effekt af fiskeskæl, har Li Jians team siden 2015 forberedt en række separationsmaterialer såsom filtreringsseparationsmaterialer og adsorptionsseparationsmaterialer, med fokus på designkonceptet superhydrofilicitet/undervandssuperoleofobicitet.
Blandt dem kan de filtreringsadskillelsesmaterialer, de udviklede, opnå den vellykkede adskillelse af olie-vand-emulsioner. Den eneste ulempe er imidlertid, at når denne type materiale anvendes til at behandle olie-vand-emulsioner, når separationseffektiviteten er forbedret, vil fluxen blive reduceret.
Specifikt ved at konstruere en hydrofil overflade kan vand passere gennem membranens porestruktur og danne et hydreringslag på overfladen, hvorved kontakten mellem oliedråber og separationsmembranen forhindres.
Den lagdelte strukturmembran, der er samlet af todimensionelle materialer, har ultratynd membrantykkelse og nanoporer, og dens nanokanaler har både høj permeabilitet og høj selektivitet.
Men med stigningen af permeationsflux vil en højere normal strømningshastighed fremkomme på membranoverfladen, hvilket vil føre til en reduktion i mellemlagsafstanden af den todimensionelle lagdelte strukturmembran og derved reducere permeationsfluxen.
Samtidig vil reduktionen i mellemlagsafstanden af den todimensionelle membran bevirke, at hydreringslaget mellem lagene bliver komprimeret, således at antibegroningsevnen reduceres. Derfor er det et vanskeligt problem i forskningen af højtydende olie-vand-separationsmembraner, hvordan man balancerer gennemtrængningsfluxen og antibegroningsevnen.
For at løse dette problem brugte forskerholdet metalorganic framework (MOF, UiO-66-NH2) nanopartikler og todimensionelle MXene nanosheets gennem grænseflade-selvsamlingsstrategien til at konstruere en funktionel membran med høj permeabilitet.
Denne funktionelle membran med høj permeabilitet kan konstrueres gennem interface-selvsamlingsstrategien. I detaljer kan interkalationslaget skabt af metalorganiske ramme-nanopartikler udvide mellemlagsafstanden mellem todimensionelle MXene nanoplader og derved forbedre permeationsfluxen.
Samtidig kan metal organiske ramme nanopartikler understøtte MXene nanosheets og undgå ekstrudering af membranlaget forårsaget af den høje normale strømningshastighed på membranoverfladen.
Desuden har metalorganiske ramme-nanopartikler også fremragende vandabsorptions- og vandretentionsegenskaber, hvilket kan gøre separationsmembranoverfladen og hydreringslaget af interkalationslaget mere stabilt, så olie-vand-separationsmembranen har fremragende undervands superoleofobicitet og antifouling-egenskaber.
Derudover hjælper hydrogenbindingerne dannet mellem polyethylenglycol (PEG) og MXene og metalorganiske rammer til yderligere at forbedre stabiliteten af interkalationsstrukturen og yderligere forbedre hydrofilicitet af den funktionelle membran.
Generelt, takket være den unikke interkalationsstruktur af det todimensionelle MXene-membranmateriale og hydrofiliciteten og vandretentionen af de metalorganiske rammepartikler, udviser denne olie-vand-separationsmembran følgende fordele:
For det første giver det overflade- og interkalationsstabile hydreringslag det fremragende antibegroningsevne; for det andet giver den stabile mellemlagsafstand den en kontinuerlig og stabil højflux-separationsevne. For det tredje har den også fremragende kemisk holdbarhed.
Med disse egenskaber kan det ikke kun løse problemet med gensidige begrænsninger mellem permeationsfluxen og antibegroningsevnen af todimensionelle lagdelte strukturmembraner, men også give nye ideer til udvikling af højtydende olie-vand-separationsmembranmaterialer, og til en vis grad løse membranforureningsproblemet, som de nuværende superhydrofile/undervands superoleofobe membranmaterialer står over for.
Endelig blev den relaterede artikel offentliggjort i Journal of Materials Chemistry A med titlen "Inverse desert beetle-like ZIF-8/PAN composite nanofibrous membrane for very efficient separation of oil-in-water emulsions", med Li Haoyu som den første forfatter og Li Jian som den tilsvarende forfatter.
Artiklen blev publiceret i Journal of Membrane Science med titlen "High permeability PEG/MXene@MOF membrane with stabil interlayer space and efficient fouling resistance for continuous oily spildewater cleaning", med Xiang Bin som den første forfatter og Li Jian som den tilsvarende forfatter.
